高效IO——五種IO模型概念和非阻塞IO

目錄

前言：

一.五種IO模型

二.同步通信和異步通信對比

三.阻塞和非阻塞

四.其它進階IO

        4.1 非阻塞IO

前言：

        記憶體于外設進行資料互動叫做IO。

        IO的過程中主要由兩個動作，一個是等待，一個是拷貝。

比如：

        讀IO，就是在等待可以讀資料的條件，條件成立将資料從核心空間拷貝到使用者空間。

        寫IO，就是在等待可以寫資料的條件，條件成立将資料從使用者空間拷貝到核心空間。

        高效IO的本質是：機關時間内，盡可能的減少等待的比重。

一.五種IO模型

• 阻塞IO：在核心資料準備好之前，系統調用會一直等待。

        所有套接字，預設方式都是等待。阻塞IO是最常見的IO模型。

• 非阻塞IO：如果核心還未将資料準備好，系統調用仍會直接放回，并且傳回WOULDBLOCK錯誤碼。

        非阻塞IO需要程式員編碼時，以循環的方式反複去嘗試讀寫檔案描述符，這個過程叫輪詢。這對CPU來說是一種較大的浪費，一般隻有在特定的情況下才使用。

• 信号驅動IO：核心将資料準備好之後，使用SIGIO信号，通知程序進行IO操作。

        SIGIO信号：檔案描述符準備就緒, 可以開始進行輸入/輸出操作，預設捕捉動作是忽略。我們可以自定義捕捉動作為recvfrom或者sendto。當信号到來時，就可以将資料從核心拷貝到使用者，或者從使用者拷貝到核心。   

        注意：資料拷貝的過程還是需要程序來做。

• IO多路轉接：通過系統調用，可以同時等待多個檔案描述符的就緒狀态。至少一個就緒，就可以進行讀和寫了。

        通過調用select/pol/epoll可以實作同一時刻等待多個檔案描述符的就緒狀态。

select/pol/epoll也是負責等待，那為什麼效率提高了呢？

        因為同一時間等待多個檔案，檔案就緒的機率增加了，等待的時間就減少了。

        當等待完畢後，調用read或者write進行IO就不需要等待了。

• 異步IO：由核心在資料拷貝完成時，通知程序，使用資料。

        不需要程序等待和将資料空核心空間拷貝到使用者空間，這些動作都是核心做的，當核心拷貝完成後，通知程序來使用資料即可。

        這個和信号驅動IO不同，信号驅動IO，程序需要自己将資料從核心拷貝到使用者。

總結：

前四種IO歸類為同步IO，最後一個歸類為異步IO。

任何IO過程中，都包含兩個動作，一個是等待，另外一個是拷貝，在實際生活中，等待消耗的時間遠遠大于拷貝的時間。讓IO高效，最核心的辦法就是讓等待的時間盡量少。

二.同步通信和異步通信對比

        同步通信和異步通信關注的是消息通信機制。

• 同步通信：就是在發出一個調用時，在沒有得到結果之前，該調用不會傳回。一旦傳回就得到傳回值。調用者主動等待這個調用的結果。需要調用者自己參與。
• 異步通信：調用在發出後，調用直接傳回，沒有傳回結果。而被調用者通過狀态，通知來通知調用者，或者通過回調函數處理這個調用。不需要調用者自己參與。

        拿上面的信号驅動IO舉例，信号驅動IO的情況很像異步IO，但是，信号通信IO最後還需要調用者對資料進行拷貝，是以屬于同步IO。

        在多線程和多程序中，也有同步和互斥的概念。和這裡是完全不相同的。

• 程序或線程的同步，是程序和線程之間的一種制約關系。
• 多線程之間的同步，是讓多個線程之間，可以按照一定次序運作。使得條件不滿足時等待，滿足時，可以立馬執行。調高效率。

三.阻塞和非阻塞

        阻塞和非阻塞，是指條件不滿足時，等待方式的不同。

• 阻塞：在調用結果傳回前，目前程序會被挂起等待，程序被放入等待隊列，狀态設為非R。調用線程隻有在得到結果後才傳回。
• 非阻塞：在不能得到結果之前，目前線程不會被挂起等待，而是會直接傳回。

四.其它進階IO

        非阻塞IO，記錄鎖，系統V流機制，IO多路轉接(IO多路複用)，readv和writev函數以及存儲映射IO(mmap)，這些統稱為進階IO。

        下面介紹兩種IO，非阻塞IO和IO多路轉接

        4.1 非阻塞IO

        一個檔案描述符，預設情況下都是阻塞IO。調用fcntl函數可以改變檔案描述符為非阻塞IO。

#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
           

參數	作用
fd	打開的檔案描述符
cmd	具體操作
...	可變參數

fcntl函數的功能：

• 複制一個現有的描述符，對應cmd = F_DUPFD
• 獲得/設定檔案描述符标記，對應cmd = F_GETFD / F_SETFD
• 獲得/設定檔案狀态标記，對應cmd = F_GETFL / F_SETFL
• 獲得/設定異步IO所有權，對應cmd = F_GETOWN / F_SETOWN
• 獲得/設定記錄鎖，對應cmd = F_GETLK / F_SETLK或F_SETLKW

我們可以使用第三個功能，獲得/設定檔案狀态标記，就可以将一個檔案描述符設定為非阻塞。

使用如下：

void SetNoBlack(int fd){
  //獲得檔案狀态
  int fl = fcntl(fd,F_GETFL);
  if(fl < 0){
    perror("fcntl error\n");
    return;
  }
  //設定檔案狀态
  fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);

}
           

• 使用F_GETFL将目前的檔案描述符屬性取出來，是一個位圖。
• 然後使用F_SETFL将檔案描述符設定回去，設定回去的同時加上 O_NONBLOCK參數。

輪詢方式讀取标準輸入：

        輪詢方式讀取：read當讀條件不滿足是，實際是阻塞的。當設定為非阻塞後，不斷循環調用read，就是在輪詢檢測read條件是否滿足。

        說明：read非阻塞狀态下，當傳回值為小于0時，說明是讀的條件不滿足，而不是read調用失敗。當讀條件不滿足時，不僅read的傳回值回小于0，還會将全局變量錯誤碼errno設定為EAGAIN(一個宏，值為11)。

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

void SetNoBlack(int fd){
  //獲得檔案狀态
  int fl = fcntl(fd,F_GETFL);
  if(fl < 0){
    perror("fcntl error\n");
    return;
  }
  //設定檔案狀态
  fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);

}

int main(){
  //将标準輸入設定為非阻塞
  SetNoBlack(0);
  char c = 0;
  //輪詢檢測read
  while(1){
    sleep(1);
    //printf("begin to read\n");
    ssize_t n = read(0, &c, 1);
    if(n > 0){
      printf("%c\n",c);
    }
    //并不是read錯誤，而是read的條件不滿足
    else if(n < 0 && errno == EAGAIN){
      printf("read cond is not met....\n");
    }
    else{
      perror("read error\n");
    }
    printf("------------------\n");

  }


  return 0;
}
           

為了看起來友善，我将多路轉接IO寫在了另外一篇部落格。